Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Wiedeńskiego i Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali nowy model komputerowy pozwalający badać zjawiska kwantowe w świecie wysokoenergetycznych fotonów – cząstek światła o energiach milion razy większych niż te, które widzimy gołym okiem.

W fizyce kwantowej fotony – cząstki światła – mogą zachowywać się w sposób, który wymyka się intuicji. Jednym z najbardziej fascynujących zjawisk jest splątanie kwantowe: dwie cząstki mogą pozostawać ze sobą powiązane w taki sposób, że niemożliwe jest dokładne opisanie ich zachowania, jeżeli traktujemy je niezależnie, nawet jeśli są od siebie oddalone o bardzo dużą odległość. Taka własność występuje tylko w świecie kwantów, choć naukowcom udało się już zaobserwować splątanie kwantowe w skali widocznej gołym okiem (Nagroda Nobla 2025 z fizyki). W przypadku fotonów, nośnikiem tej zależności jest polaryzacja, czyli klasycznie rozumiana orientacja drgań pola elektromagnetycznego odpowiadającego światłu.

W tradycyjnych eksperymentach kwantowych bada się korelacje między fotonami w zakresie światła widzialnego, korzystając z analizatorów i polaryzatorów optycznych. Jednak dla fotonów o energiach miliony razy większych (rzędu megaelektronowoltów – MeV), powstających np. podczas anihilacji elektronów i pozytonów, takich urządzeń nie da się zastosować. Zespół badawczy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), we współpracy grupami z Uniwersytetu Wiedeńskiego i Uniwersytetu Jagiellońskiego wykorzystał więc inny efekt fizyczny – tzw. podwójne rozpraszanie Comptona – dzięki któremu można pośrednio odczytać informacje o polaryzacji fotonów.

Nowy symulator Monte Carlo, oparty na środowisku Geant4 i nazwany modelem Wiedeń–Warszawa, umożliwia odwzorowanie dowolnych stanów polaryzacji par fotonów oraz przewidywanie, jak będą się one zachowywać w rzeczywistych detektorach. Otrzymane wyniki porównano z eksperymentem przeprowadzonym w detektorze J-PET w Świerku, obejmującym 300 tysięcy zarejestrowanych zdarzeń. Zgodność symulacji z danymi potwierdza poprawność modelu i jego przydatność do przyszłych badań. – Otrzymane wyniki potwierdzają, że model wiernie odwzorowuje fizykę spolaryzowanych wysokoenergetycznych fotonów, a obserwowane różnice w intensywności korelacji wynikają raczej z efektów instrumentalnych, niż wpływu środowiska na splątanie kwantowe – wyjaśnia dr Wojciech Krzemień z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, jeden z autorów pracy.

Opracowanie tego narzędzia stanowi ważny krok w kierunku zrozumienia kwantowych korelacji w zakresie wysokich energii i może w przyszłości pomóc w testowaniu podstaw mechaniki kwantowej w zupełnie nowych warunkach. Szczególne wykorzystanie może również znaleźć w ulepszaniu algorytmów do obrazowania przemysłowego i medycznego, np. obrazowania w tomografii PET, gdzie rozróżnianie „prawdziwych” par fotonów od przypadkowych zdarzeń może znacząco poprawić kontrast obrazów medycznych. Przed naukowcami wciąż stoją wyzwania – m.in. zwiększenie precyzji pomiarów i bezpośrednie badanie stanów splątanych fotonów wysokoenergetycznych.

Obecnie trwają prace z wykorzystaniem symulatora w ramach realizowanego w NCBJ projektu First Team „IMPET”, finansowanego przez Fundację Nauki Polskiej.

Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji: 

Mateusz Bała, Wojciech Krzemień, Beatrix C. Hiesmayr, Jakub Baran, Kamil Dulski, Konrad Klimaszewski, Lech Raczyński, Roman Y. Shopa,  Wojciech Wiślicki, Probing arbitrary polarized photon pairs undergoing double Compton scatterings by a dedicated MC simulator validated with experimental data, Eur. Phys. J. C 85, 1115 (2025), https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-025-14862-y